Der Anfang für den Anfänger- Meine Facharbeit über Lautsprecher

Nabend allerseits.

Im Anschluss könnt ihr euch meine FAcharbeit im Fach Physik über das thema "Lautsprechertechnik" durchlesen...
Die arbeit besteht aus 2 teilen : frequenzweichen, filter etc und der "box" selbst. da das limit bei 25 seiten lag, geht die arbeit nicht sehr ins detail und beschreibt besonders bei den Lautsprechern nur abläufe- also ohne formelkram.
berechnung eines CB und eines hoch- und tiefpassfilters fand in der dazugehörigen präsentation statt, lässt sich hier also schlecht einarbeiten.
Die arbeit habe ich mit einem kumpel von mir erstellt, wobei er den teil über die frequenzweichen und ich den lautsprecherpart übernommen habe, wir haben 14 pkte bekommen.

->Meiner meinung nach ist die arbeit gut für anfänger geeignet, die erstmal einen überblick über die materie brauchen, um sich dann mit fachliteratur mehr mit dem thema zu beschäftigen.

wenn ihr fehler findet, beschreibt diese bitte genau, und bringt am besten gleich einen korrekturvorschlag mit und sendet es an mich per pm.

ich wollte den spass eigentlich im hifi-wissen-forum posten, das geht aber verständlicherweise nur mit admin-rechten.


und ab gehts:

1. Einleitung

Musik ist für uns in unserer Gesellschaft alltäglich, gewissermaßen allgegenwärtig. Doch welche Technik hinter der Wiedergabe von Audiomedien steht ist nur wenigen wirklich klar.
Aus diesem Grund und unserem persönlichen Interesse haben wir uns näher mit der Lautsprechertechnik und den Zusammenhängen beschäftigt. Wir gehen in dieser Facharbeit auf den Aufbau von Frequenzweichen und Filtern, sowie den der Chassis und der Gehäuse ein. Trotz aller Theorie haben wir immer versucht den Praxisbezug zu wahren.

2. Frequenzweichen

2.1. Funktion

Frequenzweichen sind neben den Chassis das wichtigste Bauelement einer Lautsprecherbox.
Ihr Einsatz wird nötig, da die einzelnen Chassisarten nur einen bestimmten Frequenzbereich in entsprechender Qualität wiedergeben können [vgl. 3. Chassis]. Deshalb teilt die Frequenzweiche das Eingangssignal durch Filter in einzelne Frequenzabschnitte und führt diese den entsprechenden Chassis zu.
Dies wird in Abbildung 2.1. Schematisch für ein Drei-Wege-System dargestellt.
http://img308.imageshack.us/my.php?image=017dt.pngDie Trennung erfolgt an bestimmten Trennfrequenzen, diese entsprechen der jeweils höchsten oder niedrigsten Frequenz die durch 2 verschiedene Chassisarten wiedergegeben werden kann (Bsp.: bei Mittelton- und Hochtonlautsprecher ist die Trennfrequenz 8KHz). An der Trennfrequenz wird der darunter bzw. darüber liegende Frequenzbereich mittels Dämpfung durch die
Filter „abgeschnitten“. Abbildung 2.2. zeigt den Schalldruckverlauf einer 3-Wege-Box und verdeutlicht somit die Dämpfung an den Trennfrequenzen.
http://img137.imageshack.us/my.php?image=027ho.png


Abb. 2.2.
Auf Grund der Tatsache, dass die meisten Lautsprecherboxen individuell aus den verschiedensten Chassis nach Klang und Qualitätsanspruch zusammengestellt werden, muss für jede Box die Frequenzweiche individuell abgestimmt sein um das gewünschte Klangergebnis zu erreichen. Die Dimensionierung der einzelnen Komponenten kann teilweise schon vorher berechnet werden, jedoch ist meist noch eine Feinabstimmung durch Auswertung der Messergebnisse durchzuführen.
Neben der Signalaufteilung kann eine Frequenzweiche auch für weitere Aufgaben genutzt werden, so dient sie auch der Pegelanpassung der einzelnen Frequenzabschnitte, da niedrige Frequenzen meist „leise“ und hohe Frequenz „laut“ sind. Dieser Vorgang wird auch Frequenzganglinearisierung genannt.
Man teilt Frequenzweiche in 3 Untergruppen: analog/passiv, analog/aktiv und digital/aktiv. Es sind auch Mischformen denkbar.
Auf die Unterschiede in Bau und Funktionsweise und die jeweiligen Vor- bzw. Nachteile der einzelnen Ausführungsformen soll im Folgenden eingegangen werden.

2.2. Ausführungsformen

2.2.1. Analoge, passive Frequenzweiche

Passive Frequenzweichen bestehen aus mindestens 2 Filtern, da sie vornehmlich der Frequenzbereichsaufteilung dienen, machen weniger als 2 Filter keinen Sinn. Außerdem können sie noch zur Dämpfung der einzelnen Signalteile durch Widerstände eingesetzt werden. Die Filter an sich bestehen hauptsächlich aus Kondensatoren, Spulen und Widerständen, die je nach Verwendungszweck
zusammen geschalten werden. Dabei spielen die Bauteile und ihre Wirkung auf die Frequenz des Signals eine entscheidende Rolle [siehe 2.3.2.].
Die Energie der gedämpften bzw. der gefilterten Signalteile wird als Wärme frei, dadurch sind die Bauteile auch einer erheblichen Belastung ausgesetzt.
Durch einen bestimmten Aufbau der Filter können diese Belastung jedoch minimiert werden, dennoch müssen recht große und robuste Bauteile, im Vergleich zu aktiven bzw. digitalen Frequenzweichen, verwendet werden.
Deshalb werden in passiven Frequenzweichen meist nur Filter bis 4. Ordnung eingesetzt.
Sie sind zumeist das letzte Bauteil zwischen dem Leistungsverstärker und Chassis, da sie keine zusätzliche Verstärkung leisten können.

2.2.2. Analoge, aktive Frequenzweiche

Bei analog, aktiven Frequenzweichen sind die Filter ähnlich der analogen, passiven Frequenzweichen aus Kondensatoren, Spulen und Widerständen aufgebaut, zusätzlich sind Operationsverstärker eingebaut, diese ermöglichen eine nachträgliche Verstärkung der einzelnen Frequenzabschnitte.
Die Belastungen für die Bauteile können dadurch geringer ausfallen, da vom Leistungsverstärker ein schwächeres Signal kommen kann und die angestrebte Verstärkung trotzdem nachträglich durch den Operationsverstärker erreicht wird.
Hierdurch können die Filter kleiner und komplexer gebaut werden und so die Filterleistung erhöht werden, durch einen höheren Grad des Filters. So kommen häufig Filter 8. Ordnung zum Einsatz. Die aktiven Frequenzweichen werden teilweise auch bei Lautsprechersystemen, zum Beispiel ein 5.1-Surround-System, direkt mit in den Verstärker eingebaut und das „fertige“ Signal nur noch an die Satelliten, die nur das Chassis enthalten, übertragen.

2.2.3. Digitale, aktive Frequenzweiche

Digitale Frequenzweichen sind die modernsten und technisch am aufwändigsten Ausführungen von Frequenzweichen, gleichzeitig sind sie jedoch auch die leistungsstärksten. Der Grundaufbau ist in Abbildung 2.3. dargestellt. Der Kern jeder digitalen Frequenzweiche ist der Digitale Signal Prozessor[2], kurz DSP, er ist ein hochintegrierter Chip, der bereits alle Filtersysteme enthält und nur auf die Signalberechnungen optimiert ist. Dem DSP wird ein digitales Signal zugeführt, das zuvor mittels eines Wandlers konvertiert wurde, zum Beispiel ein analoges Signal wird per Analog-Digital-Wandler[1] in ein digitales Signal umgewandelt. Der DSP nimmt dann die gewünschten Operationen also die Aufteilung der einzelnen Frequenzen auf die Chassis vor. An seinem Ausgang befinden sich Digital-Analog-Wandler[3], die das digitale Signal wieder in ein analoges Signal konvertieren, dieses Signal kann dann noch einmal verstärkt[4] werden und wird dann an die Chassis[5] gesendet.

http://img137.imageshack.us/my.php?image=035ht.png

Abb. 2.3.
Auf Grund der digitalen Signalform können an ihm durch den DSP noch andere Berechnungen und Operationen vorgenommen werden, was neben der geringen Größe dazu führt, dass digitale Frequenzweichen in allen digitalen Audiogeräten eingesetzt werden.

2.3. Analoge Filter

2.3.1. Einführung

Analoge Filter sind die Grundbestandteile aus denen alle analogen Frequenzweichen hauptsächlich bestehen. Sie wiederum verändern den Frequenzgang durch unterschiedliche Zusammenschaltung von Kondensatoren und Spulen, so können Frequenzen über oder unterhalb einer Trennfrequenz unterdrückt werden oder nur ein bestimmtes Frequenzintervall ungedämpft bleiben.
Als Trennfrequenz wird die Frequenz bezeichnet, bei der die Ausgangsspannung um 3 dB gegenüber der Eingangsspannung gesunken ist. Es lässt sich auch sagen, dass die Trennfrequenz die Frequenz ist, bei der

http://img329.images...ng .

Je nach Ordnung des Filters (n) werden die gefilterten Frequenzteile um ein bestimmtes Maß gedämpft. Diese Dämpfung wird in dB angegeben und lässt sich durch n*6dB/Oktave berechnen. So hat zum Beispiel ein Filter

2. Ordnung eine Dämpfung von 12 dB/Oktave man spricht auch von 12 dB-Filtern. Wie die Dämpfung mit dem Grad des Filters zunimmt wird in Abbildung 2.4. noch einmal
verdeutlicht.Die verschiedenen Aufbauformen, die die genannten Funktionen erfüllen können, sowie die zu Grunde liegenden physikalischen Eigenschaften der einzelnen elektronischen Bauteile sollen folgend erläutert Abb. 2.4. werden.

http://img304.imageshack.us/my.php?image=051xn.png

2.3.2. Grundlagen

Die Filterung bzw. Dämpfung wird erst auf Grund des Blindwiderstands möglich, den jedes induktive bzw. kapazitive Bauteil im Wechselstrom besitzt (das Tonsignal ist ein Wechselstrom mit sich ändernder Frequenz, weshalb eine Frequenzweiche auch immer von einem Wechselstrom „durchflossen“ wird). Im Gegensatz zum ohmschen Widerstand wird bei ihm keine elektrische Leistung umgesetzt. Dennoch wird er in Ohm angegeben.
Da der Blindwiderstand frequenzabhängig ist, entscheidet er darüber welche Frequenz wie stark gedämpft wird und somit aus dem Frequenzgang „herausgeschnitten“ wird. Sein Verhalten bei steigender Frequenz ist bei Spule (induktiv) und Kondensator (kapazitiv) unterschiedlich, dies soll im Folgenden näher erläutert werden.

Blindwiderstand bei Kondensatoren (kapazitiver Blindwiderstand):
Allgemein sinkt hier der Blindwiderstand mit steigender Frequenz, dies ergibt sich aus der Formel:
Somit werden hohe Frequenzen weniger stark gedämpft als niedrigere Frequenzen.

Blindwiderstand bei Spulen (induktiver Blindwiderstand):
Hier ist es genau umgekehrt, so steigt der Blindwiderstand mit steigender Frequenz, was sich auch der Formel:

http://img414.imageshack.us/my.php?image=079nx.png
entnehmen lässt.

Bei den Betrachtungen wurde von idealen Spulen bzw. Kondensatoren ausgegangen.
Auf Basis dieser Kenntnisse kann die Dimensionierung der Spule bzw. des Kondensators, also die Größe der Induktivität bzw. der Kapazität, über die Festlegung der Trennfrequenz, welche wiederum von den verwendeten Chassis abhängig ist, bestimmt werden.
Für 6 dB und 12 dB Filter sollen kurz die Formeln für Kapazität sowie Induktivität vorgestellt werden. Die Berechnungen für 18 dB Filter oder Filter höherer Ordnungen sind sehr komplex und sollen an dieser Stelle nicht behandelt werden.

Rechungen für 6 dB:

http://img305.imageshack.us/my.php?image=086cr.png

Rechnungen für 12 dB:
http://img133.imageshack.us/my.php?image=099wx.png

In der Formel steht „Z“ für die Impedanz des Lautsprechers und „f“ für die Trennfrequenz. Die Werte geben einen recht guten Ausgangspunkt für die Auswahl der Bauteile, jedoch sind meist keine Normteile mit den sehr individuellen Werten zu erhalten, deswegen muss man sich der Teile bedienen, die den Ergebnissen der Rechnung am nächsten kommen. Im Allgemeinen kann man bei der Wahl der Teile von einer Toleranz von bis zu 10% ausgehen. Es ist häufig jedoch noch ein weiteres Anpassen erforderlich um auf individuelle Eigenschaften zu reagieren, die durch den Bau der Lautsprecher oder des Gehäuses auftreten können. Häufig müssen sogar noch weitere Komponenten wie Widerstände eingesetzt werden. In den nach-folgenden Ausführungen soll dies auf Grund der erwähnten Individualität nicht näher betrachtet werden.

2.3.3. Hochpassfilter

Hochpassfilter werden dazu benutzt, nur den Frequenzbereich unterhalb der Trennfrequenz zu dämpfen, deshalb sind sie häufig vor Hochtonlautsprecher geschaltet. Vom Aufbau unterscheidet man Hochpass 1. und 2. Ordnung. Höhere Ordnungen bildet man durch in Reiheschalten mehrerer Hochpassfilter, durch die eine stärkere Dämpfung unterhalb der Trennfrequenz erreicht wird. Zwei Hochpässe 2. Ordnung ergeben also einen Hochpass 4. Ordnung. Deshalb sollen folgend der Aufbau und die Funktionsweise von Hochpässen 1. und 2. Ordnung näher beschrieben werden.
Hochpass 1.Ordnung:

http://img133.imageshack.us/my.php?image=105ix.png

Wie dem Schaltplan zu entnehmen ist besteht dieser nur aus einem Kondensator (C), der in Reihe im Signalweg geschaltet ist. Da der kapazitive Blindwiderstand des Kondensators, bei steigender Frequenz sinkt, werden nur die tieffrequenten Signalanteile unterhalb der Trennfrequenz gedämpft. Die Dimensionierung des Kondensators (Größe der Kapazität) bestimmt die Trennfrequenz, was in der Formel unter 2.3.2. zu erkennen ist.

Hochpass 2.Ordnung:

http://img335.imageshack.us/my.php?image=114rc.png
Den Filtereffekt kann verstärkt werden, indem man eine Spule (L) nach dem Kondensator parallel zum Signalweg schaltet. Sie stellt einen geringeren Widerstand für Frequenzteile (unterhalb der Trennfrequenz) als das Hochtonchassis dar, da bei geringeren Frequenzen ihr induktiver Blindwiderstand sinkt. Dies hat zur Folge, dass über die Spule die tieffrequenten Teile herausgefiltert bzw. stark gedämpft werden.
Hierdurch ergibt sich die Formel:

http://img335.imageshack.us/my.php?image=127op.png

zur Berechnung der Ausgangsspannung, bei einer bestimmten Frequenz.
XL bezeichnet dabei den Blindwiderstand der Spule, bei einer bestimmten Frequenz, nach der unter 2.3.2. genannten Formel, der dann wie bereits erwähnt kleiner sein muss als der des Hochtonchassis.
In der Praxis sind deshalb viel häufiger Hochpassfilter 2. Ordnung (oder höher) bestehend aus Spulen und Kondensatoren anzutreffen, wobei Filter höherer Ordnung eine stärkere Dämpfung ermöglichen.

2.3.4. Tiefpassfilter

Tiefpassfilter dienen zur Dämpfung des Frequenzbereichs oberhalb der Trennfrequenz, deshalb werden sie vor Tieftonlautsprechern eingesetzt. Vom Grundaufbau bestehen sie ebenfalls wie Hochpassfilter aus Spulen und Kondensatoren, Tiefpässe n-ter Ordnung werden wie bei Hochpässen durch Reihenschaltung erreicht. Dabei gilt das gleiche Prinzip, also zwei Filter
2. Ordnung ergeben einen Filter 4. Ordnung. Auch hier soll folgend der Aufbau und das Funktionsprinzip von Tiefpässen 1. und 2. Ordnung erläutert werden.

Tiefpass 1. Ordnung:

http://img335.imageshack.us/my.php?image=103bi.png
Dieser besteht aus einer Spule (L) , die in Reihe im Signalweg geschaltet ist. Ihr induktiver Blindwiderstand XL nimmt mit steigender Frequenz zu, dies hat zur Folge, dass alle Frequenzen des Signals oberhalb der Trennfrequenz gedämpft werden.
So kann über die Induktivität der Spule die Trennfrequenz bestimmt werden.

Tiefpass 2. Ordnung:

http://img335.imageshack.us/my.php?image=132mv.png
Dieser Filter besteht wie bereits erwähnt aus Spule und Kondensator, sein Aufbau ist konträr dem des Hochpassfilters. Die Spule erfüllt die gleiche Funktion wie bei einem Tiefpassfilter 1. Ordnung. Die bereits gedämpften hochfrequenten Signalteile werden durch den Kondensator, der für sie einen geringeren Widerstand darstellt als die nachfolgenden Schaltungsteil bzw. das Chassis, kurzgeschlossen. Hierbei ist wieder entscheidend, dass der kapazitive Blindwiderstand des Kondensators bei hohen Frequenzen sinkt. Dies ermöglicht, dass sein Blindwiderstand XC oberhalb der Trennfrequenz geringer ist als der der nachfolgenden Schaltungsbestandteile. Somit können diese Frequenzteile sehr stark gedämpft werden.
Auch hier steht wieder eine folgend abgebildete Formel zur Verfügung, mit der es möglich ist die Ausgangsspannung zu berechnen.

http://img133.imageshack.us/my.php?image=124ta.png

2.3.5. Bandpassfilter

Bandpassfilter werden genutzt um nur ein Frequenzband oder Frequenzintervall aus dem Signal herauszufiltern. Sie werden deshalb vor den Mitteltonlautsprechern eingesetzt. Das Frequenzintervall, das sie herausfiltern wird von einer unteren und oberen Trennfrequenz beschränkt. Im Prinzip sind sie aus einem Hoch- und einem Tiefpassfilter zusammengesetzt, was im Schaltbild mit Filtern 2. Ordnung zusehen ist. Wobei hier die Trennfrequenz des Tiefpass die obere Trennfrequenz des Frequenzintervalls ist und die Trennfrequenz des Hochpass die untere Trennfrequenz. Ansonsten finden die gleich Prozesse, wie bereits unter 2.3.3. für den Hochpass und 2.3.4. für den Tiefpass beschrieben worden sind, statt.

http://img314.imageshack.us/my.php?image=139xj.png


2.3.6. Subsonic-Filter

Subsonic-Filter sind spezielle Hochpassfilter. Ihre Trennfrequenz liegt jedoch bei
15-20 Hz, sie sollen somit nicht hörbare Frequenzen herausfiltern, daher auch der Name (subsonal = nichthörbar). Sie schützen somit das Tiefton- bzw. Basschassis vor mechanischer Überlastung und Störfrequenzen. Alle weiteren Angaben zu Funktionsweise und Aufbau sind in Abschnitt 2.3.3. gegeben.


3. Chassisarten

3.1. Allgemein

Als ein „Lautsprecherchassis wird im Allgemeinen folgendes bezeichnet:

Das Chassis ist das Element eines Lautsprechers, welches den Ton „erzeugt, es ist das Teil, welches die Luftteilchen in Schwingung versetzt. Diese Schwingungen werden durch Bewegung von so genannten Membranen erzeugt. Da ein Lautsprecher aber nicht das gesamte Frequenzspektrum (20 bis 40000 Hz) abstrahlen kann, da dies physikalisch gar nicht möglich ist (weitere Erläuterungen in den nächsten Abschnitten), ergeben sich verschiedene Arten von Chassis. Jede Art ist auf einen Bestimmten Frequenzbereich spezialisiert. Man unterscheidet Hochtöner, Mitteltöner, Tieftöner und Breitbänder. Gemäß ihren Bezeichnungen decken sie den oberen Frequenzbereich (beispielsweise 5000 bis 40000 Hz), den mittleren (200 bis 5000 Hz) und den unteren (20 bis 200 Hz) Bereich ab. Die hier genannte Abgrenzung der Frequenzbereiche ist der Praxis allerdings abhängig von den Spezifikationen des einzelnen Chassis, von der verwendeten Filterelektronik und vor allem vom Gehäuse in das es eingebaut wird (dazu mehr unter 6. Gehäusearten).

3. 2. Hochtöner

Hochtonchassis werden nach den unterschiedlichsten Funktionsprinzipien hergestellt. Sie haben aber alle eins gemeinsam: Die Membran eines Hochtöners besitzt nur ein geringes Gewicht und weist eine sehr hohe Resonanzfrequenz auf. Unterschiede tun sich allerdings in der Erzeugung der Schwingung auf: Zum einen werden Schwingspulen eingesetzt, die sich außerhalb der Membran befinden, zum anderen befinden sich die Schwingspulen in den Membranen. Dazu zwei Beispiele:


3.2.1. Bändchenhochtöner

Die Art der Bändchenhochtöner hat sich im Laufe der Jahre gewandelt: Ein wenig älter und schon seit mehreren Jahrzehnten angewandt ist das Urprinzip der Bändchenhochtöner: Ein leicht gefalteter Aluminiumstreifen übernimmt die Funktion der Schwingspule und der Membran. Aufgrund der geringen Impedanz des Aluminiumstreifens ist ein Trafo-ähnlicher Überträger notwendig. Der geringe Kennschalldruck erfordert die Verwendung eines Trichters vor der Membran, um so den Schalldruck zu erhöhen.
Die Weiterentwicklungen zu magnetostatischen bzw. isodynamischen Hochtönern beseitigen einige Nachteile ihrer Vorgänger. Bei diesen neueren Hochtönern schwingt eine dünne Kunststofffolie, auf der sich eine leiterbahnähnliche Schwingspule befindet. Die Folie befindet sich im Energiefeld eines starken Permanentmagneten. Die Magnetform kann dabei variieren, wie die runden oder eckigen Magnete verschiedener Bändchenhochtöner zeigen; auch in direkter Nähe zur Membran lässt sich der Magnet in Stäbchenform unterbringen. Sie benötigen weder einen Transformator noch einen Trichter, um genauso präzise wie ihre Vorgänger zu klingen.

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1. Diffusor (größerer horizontaler Abstrahlwinkel)
2. Membran (extrem dünne, leichte Folie, ausgeätzte o. aufgedampfte, leiterbahnähnliche Schwingspule)
3. Frontplatte
4. / 6. Polplatten (Stahl)
5. Extrem starker Permanentmagnet
7. Randaufhängung der Membran
8. Polkern (Stahl)

Aufgrund der sehr geringen bewegten Masse der Bändchenhochtöner von unter 100 Milligramm ergeben sich ein hohes Auflösungsvermögen und eine detaillierte Wiedergabe des Klanges. Eigenresonanzen der Membran werden vom Dämmmaterial, welches die Membran leicht berührt, stark vermindert. Ein wesentlicher Nachteil der Bändchentöner sind die hohen Trennfrequenzen (ab 4 kHz), die aus der Tatsache resultieren, dass die Folien nur geringe lineare Hübe ausführen können. Dies ist insofern ein Problem, da nur wenige Mitteltöner bis beispielsweise 4 oder sogar 6 kHz ein ausgewogenes und klares Klangbild liefern. Mit steigender Trennfrequenz nehmen so auch die Interferenzprobleme zwischen Mittel- und Hochtöner zu. Um die Einsatzfrequenz des Bändchenhochtöners nach unten hin zu vergrößern, müssten größere Membranen eingesetzt werden. Infolge dessen muss das Magnetfeld über die nun größere Membranfläche gleichmäßig verteilt werden. Durch diesen höheren technischen Aufwand entstehen erheblich größere Kosten für den Endnutzer. Durch die größere Membranfläche ergibt sich eine schlechtere Schallverteilung bei hohen Frequenzen, es findet eine starke Schallbündelung in vertikaler Richtung statt.
Vorteile der Bändchenhochtöner finden sich also in der sehr guten Wiedergabe des Tonsignals (Klarheit, Feinzeichnung und Unaufdringlichkeit), problematisch sind allerdings die hohe Trennfrequenz und der hohe Anschaffungspreis.





3.2.2. Kalottenhochtöner

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1. Membran aus weichem Kunststoffgewebe, Kunststofffolie, Metall oder auch speziellen Papiergemischen
2. Schalldämpfendes Material
3. Randaufhängung aus Kunststoff
4. Frontplatte aus Metall oder Kunststoff
5. Polplatte aus Stahl
6. Ferritmagnet
7. Bodenplatte aus Stahl
8. Schwingspulenträger (meist aus Aluminium, mit Schwingspule im Luftspalt)
9. Polkern aus Stahl


Die Schwingspule befindet sich im Magnetfeld des Dauermagnets. Fließt nun ein Wechselstrom (das Tonsignal) durch die Schwingspule, so bewegt sich diese gemäß der Lorenz’schen Gesetze vom Magneten weg, wodurch durch die Membran die Luftteilchen zum Schwingen angeregt werden. Kalottenlautsprecher weisen eine kuppelförmige Membran auf, deren Durchmesser dem ihrer Schwingspule entspricht. Gebräuchliche Abmessungen der Membranen von Kalottenhochtönern sind 19mm und 25mm. Sie verfügen über einen hohen Kennschalldruck, der aus einer geringen bewegten Masse (ca. 0,3 g) und einem kräftigen Antrieb resultieren, außerdem zeichnet sie eine hohe Wiedergabepräzision aus. Die große Schwingspule erzielt, neben dem kräftigen Antrieb, eine hohe Belastbarkeit, die kleine Membranfläche sorgt für eine allseitig breitwinklige Schallverteilung. Bei mangelhafter Fertigung eines Kalottenhochtöners können Undichtigkeiten in oder hinter der Membran oder beispielsweise eine schlecht zentrierte Schwingspule auftreten.

3.2.3. Hochtonhörner

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1 Magnetischer Antrieb
2 Membran
3 Trichter („Horn“)
4 Phasenkorrekturelement
5 Druckkammer


Im Inneren der teilweise riesigen Hornlautsprecher bringt eine sehr steife Kalottenmembran die Luftteilchen zum Schwingen. Die Luftschwingungen werden erst in der Druckkammer komprimiert, bevor sie über den Trichter verstärkt in den Hörraum gelangen. Der Sinn eines Hornlautsprechers besteht also darin, den Schall seines Kalottenhochtöners noch weiter zu verstärken.
Wenn man einen Trichter vor eine Hochtonkalotte hält, wird deren Schalldruck verstärkt - dieser Effekt lässt sich mit Druckkammern noch verstärken. Eine Druckkammer verringert die Membranamplituden, und somit die Verzerrungen, und vergrößert den Schalldruck an der oberen Grenzfrequenz. Eine Doppelfunktion hat stets das Phasenkorrekturelement: Einerseits begrenzt es die Druckkammer, andererseits sorgt es dafür, dass alle Wegstrecken von der Membran zum Trichter gleich lang sind, wodurch sich Pegelschwankungen im Hochtonbereich vermindern lassen.
Der Übertragungsbereich von Hörnern ist allerdings begrenzt: Zum einen verursacht durch die mechanischen Grenzen der Membranen, zum anderen durch die Tatsache, dass sich die obere Grenzfrequenz einer Druckkammer nicht beliebig erhöhen lässt, da Kalottenmembranen meist nicht höher als 15 kHz reichen. Die untere Grenzfrequenz des Hornes ist dagegen von der Geometrie des Horns abhängig: Der Umfang des Trichtermundes und die Krümmungskonstante, mit der sich der Trichterquerschnitt allmählich erweitert, spielen eine maßgebliche Rolle. Die niedrigste Frequenz, die ein Horn wiedergeben kann, ist die, deren Wellenlänge dem Umfang des Trichtermundes entspricht. Nahe der unteren Grenzfrequenz neigen Hörner allerdings zu Verzerrungen und Verfärbungen des Klangbildes. Sind die Wellenlängen einer Frequenz kleiner als der Trichterdurchmesser, so werden diese stark gebündelt. Zur Veranschaulichung am Beispiel eines Hornes mit 9 cm Trichterdurchmesser, also ca. 28 cm Umfang. Nach der Formel

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ergeben sich 1,2 kHz als untere Grenzfrequenz. Mit der gleichen Formel lässt sich die obere Grenzfrequenz errechnen. Mit 9cm (Trichterdurchmesser) ergeben sich 3,8 kHz als obere Grenzfrequenz. Da Hörner nun allerdings nahe ihrer unteren Grenzfrequenz dazu neigen, den Klang zu verfärben und zu verzerren, sollte die Übergangsfrequenz immer höher als die untere Grenzfrequenz liegen - in diesem Fall etwas über 2 kHz.
Letztendlich überzeugen Hornlautsprecher mit ihren immensen Pegeln, die - einen kraftvollen Verstärker vorausgesetzt - bis an die Schmerzgrenze heranreichen. In bei hohen Schalldrücken bieten Hörner außerdem eine einzigartige Verzerrungsarmut. In der Schallbündelung liegt ein weiterer Vorteil: Der Schall erreicht nicht sofort nach wenigen Metern den Boden, sodass durch weniger Raumreflexion ein weitaus präziserer Klang entsteht.

3.3. Mittel- und Tieftöner

Konuslautsprecher

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1. Staubschutzkalotte aus Pappe, Kunststoff, Textilgewebe oder Aluminium
2. Membran aus Spezialpapier, Kunststoff, Leichtmetall, Kohlefasern oder Hartschaum
3. Zentrierspinne aus gefaltetem, behandeltem Textilgewebe
4. Randaufhängung aus Gummi, Schaumstoff oder getränktem Gewebe („Sicke“)
5. Rahmen und Korb aus Stahlblech, Aluminium, Magnesium oder Kunststoff
6. und 7. Schwingspulenträger (meist aus Aluminium) mit Schwingspule aus Kupferdraht
8. Ferritmagnet aus Keramik
9. Bodenplatte aus Stahl
10. obere Polplatte aus Stahl
11. Polkern aus Stahl

Bei den Konuslautsprechern erfolgt die Erzeugung eines Tons nach dem selben Prinzip wie bei einer Hochtonkalotte: Die Schwingspule befindet sich im Wirkungsbereich des Dauermagneten. Fließt nun ein Wechselstrom durch die Spule, so bewegt sich diese, je nach ihrer momentanen Polung, aus dem Luftspalt heraus, oder weiter hinein. Damit die Schwingspule nicht die Polplatte berührt, und so einen Kurzschluss erzeugt, wird sie durch die Zentrierspinne in gleichmäßigen Abstand gehalten. Die Sicke dient der Befestigung der Membran mit dem Rahmen des Chassis. Sie ist elastisch, damit die Membran weitgehend ungehindert schwingen kann, sie stabilisiert diese aber andererseits auch, damit die Membran nicht seitlich schwingt. Konuslautsprecher treten in den unterschiedlichsten Variationen auf: Mitteltöner mit 10 cm Membrandurchmesser stehen Tieftonriesen mit 46 cm Durchmesser gegenüber, die den Ultratieftonbereich bis zur Schmerzgrenze wiedergeben.

4. Gehäusearten

Lautsprecher benötigen generell ein Gehäuse, um den akustischen Kurzschluss zu vermeiden. Dieser entsteht wenn von einer Membran erzeugter Über- und Unterdruck aufeinander prallen; die Druckverhältnisse löschen sich gegenseitig aus, es entsteht kaum hörbarer Schall. Diese Auslöschung ohne Gehäuse tritt allerdings nicht bei Horn-, Kalotten-, oder Bändchentreibern auf, da dort Vorder- und Rückseite, durch die Konstruktion bedingt, voneinander getrennt sind. Mit einer Schallwand verbessern sich aber ihre Klangeigenschaften. Eine Schallwand würde zwar auch bei Konuslautsprechern den akustischen Kurzschluss beseitigen, bei Tieftönern müssten diese dann allerdings mehrere Meter groß sein. Bei einer Frequenz von 35 Hz müsste die Schallwand Abmaße von knapp 10m haben, damit sich vorder- und rückseitiger Schall nicht gegenseitig auslöschen. Ein Gehäuse beeinflusst allerdings auch noch den Frequenzgang, Bündelung, Verzerrungen, Kennschalldruck, maximalen Schalldruck und den Impedanzverlauf.





4.1. Geschlossene Gehäuse

Ein geschlossenes Gehäuse ist im Prinzip einfach aufgebaut: Es ist nichts weiter als ein luftdichter Kasten, in dessen Seitenwand das Chassis montiert ist.

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Durch diese Bauweise trifft der rückseitige Schall nicht mit dem vorderseitigen zusammen. Die eingeschlossene Luft hat allerdings eine Federwirkung, sie bremst dadurch die Vorwärts- uns Rückwärtsbewegungen der Membran, wodurch die Resonanzfrequenz des Chassis höher liegt, als dessen Freiluftresonanz. Je kleiner das Volumen der eingeschlossenen Luft ist, desto größer ist dessen Brems- bzw. Federwirkung und somit auch die Resonanzfrequenz. An dieser Stelle kann leider nicht auf die Berechnung eines geschlossenen Gehäuses eingegangen werden, da der Aufwand des Rechenverfahrens und den daraus resultierenden Erläuterungen weit über den angestrebten Umfang dieser Arbeit hinauszielen würde. Die Berechnung soll deshalb in der Präsentation erfolgen.









4.2. Bassreflexgehäuse

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1. Chassis
2. Bassreflexrohr

Im Gegensatz zu geschlossenen Gehäusen nutzen Bassreflexboxen den Schall von der Rückseite des Chassis. Aufgrund der Tatsache, dass dieser Schall gegenphasig zum vorn abgegebenen Schall ist, muss seine Phase erst noch gedreht werden, damit sich die Schallanteile unterstützen und nicht auslöschen. Über eine Öffnung, das sogenannte Bassreflexrohr, dessen Abmessungen genau zu definieren sind, gelangt der Schall aus der Box. Um die Phasendrehung oder –verschiebung zu erzielen, wird die Hohlraumresonanz des Gehäuses angeregt. Nicht nur schwingungsfähige Gegenstände, auch luftgefüllte Hohlräume haben eine Grundresonanz, diese wird bei Hohlräumen „Helmholtzresonanz“ genannt. Diese Resonanzfrequenz verschiebt sich, wenn sich das Volumen des Hohlraumes oder das der schalldurchlässigen Öffnung ändert. Am einfachsten ist dies zu beobachten, wenn man über die Öffnung verschieden voller Flaschen bläst: Je nach dem, wie viel Flüssigkeit sie enthalten, ändert sich die Höhe des Tons, der entsteht.
Bei sorgfältiger Abstimmung von Volumen und Reflexöffnung auf den eingebauten Tieftöner können die Vorteile des Bassreflexprinzips effektiv ausgenutzt werden. Die Luftschwingungen im Gehäuse drosseln die Membranbewegungen, ihr Anteil am Schall reduziert sich, die Verzerrungen nehmen aber auch ab. Gleichzeitig wird die Luft in der Öffnung zum Mitschwingen angeregt. Die Schallanteile der Öffnung und der Membran summieren sich, wodurch der Schalldruck letztendlich höher ist als bei einer geschlossenen Box. Es wird so ein tiefer reichender und lauterer Bass erreicht. Diese Vorteile beschränken sich allerdings auf den näheren Bereich um die Abstimmfrequenz bzw. die Helmholtzresonanz.

http://img302.imageshack.us/my.php?image=210jc.png

1 Aktivmembran (Chassis mit Antrieb)
2 Passivmembran

Das Bassreflexrohr kann auch durch eine Passivmembran ersetzt werden. Dies ist ein Chassis ohne Antrieb (Schwingspule und Magnet), welches anstelle der Luftmasse im Bassreflextunnel zum Schwingen gebracht wird. Wenn allerdings ein sehr tief abgestimmtes Gehäuse eingesetzt wird und somit ein besonders langer Bassreflextunnel erforderlich ist, ist die Passivmembran dem Tunnel vorzuziehen, da sonst klangschädliche Längsresonanzen auftreten würden. Ansonsten ist der Bassreflextunnel der Passivmembran vorzuziehen.






5. Anhang

Begriffsklärung:

Dezibel (dB): ist die Maßeinheit des Pegels, ein Pegel ist der dekadische Logarithmus des Verhältnisses zweier Spannungen, Leistungen oder anderer Messwerte.

Schalldruck: ist der von Schwingungen hervorgerufene Wechseldruck, der den normalen Luftdruck überlagert.

Frequenzgang: ist das lineare Verhältnis von Frequenz zu Schalldruck.


Frequenzgangdiagramm


Impedanz: die Impedanz eines Chassis gibt an, wie stark es den Wechselstrom des Verstärkers behindert. Die Impedanz wird in Ohm angegeben (Formelzeichen Ω). Sie ändert sich mit der Frequenz, und charakterisiert meist die Resonanzfrequenz eines Chassis.

Die Resonanzfrequenz eines Schwingungsfähigen Gegenstandes oder eines Hohlraumes beschreibt die Frequenz, bei der der Gegenstand, oder die Luftmasse am heftigsten mitschwingt (also am stärksten zum schwingen angeregt wird).

Der Lineare Hub beschreibt die Bewegung der Membran durch das Schwingen der Schwingspule. Durch den Linearen Hub werden die Luftteilchen in Schwingung versetzt.

Die akustische Phase ist eine Kenngröße, durch die der Schwingungszustand einer Schwingung zu jedem Zeitpunkt bestimmt ist. Sie wird im Winkelmaß angegeben.
6. Literaturverzeichnis

Stark, Berndt: Lautsprecher Handbuch . Theorie und Praxis des
Boxenbaus. München :
Richard Pflaum Verlag GmbH & Co. KG, 2003

Dickason, Vance: Lautsprecherbau . Bewährte Rezepte für den perfekten
Sound . Elektor Verlag, 2001

Schulze, Hans-Jochen/:Moderne Musikelektronik . Berlin: Militärverlag der DDR,
Engel, Georg1989

Internet-Quellen:www.wikipedia.de, Suchbegriffe: „Frequenzweiche“,
„Hochpass“, „Bandpass“, „Tiefbass“

Hmm, ich kann da nichts runterladen. Größe 0kb.